电热供暖

热泵供暖的特点及空气源热泵供暖的工程案例

热泵供暖的特点

及空气源热泵供暖的工程案例

秦鹏伟，李敏霞，王派，马一太，王虎平，赵密升

（1.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津300350

2.广东纽恩泰新能源科技发展有限公司，广东广州510800）

摘要：本文主要介绍有关热泵技术的热力学原理，并且进一步说明热泵技术的优点，可以用少量的电能，提

供更多热能，通过热泵制热系数COP、季节供热系数HSPF、全年综合系数APF、一次能源利用率PRE以

及冬季供暖综合性能系数IPLV(H)等多种评价指标对热泵系统进行分析评价。目前工质有R410A和R134a，

CO2（R744）、R32和R290。所有计算都用这5种工质。算出在一定压缩机吸气容积流量下，不同工质的制

热（冷）量、输入功率有所不同，五种工质的COP大体相同。与锅炉供暖和电直接供暖相比，分析热泵节能

的原理。本文给出了河北省赵县空气源热泵供暖工程案例。从目前的技术水平来看，热泵可以完全取代燃煤或燃气的锅炉房，这充分的说明了热泵系统在碳中和过程中的重要作用。

关键词：

热泵供暖；空气源热泵；COP；HSPF；APF；PRE；IPLV(H)

1.前言

总所周知，燃烧燃料供暖、电热直接供暖都是生活

生产中常见的供暖方式。其中传统的燃料包括煤、石油

或柴草，大量燃烧会对环境造成污染，为此人们进行了

许多改进措施，如改造为大型集中锅炉清洁燃烧，虽然

粉尘、SO2、NOx等排放指标达到要求，但CO2排放

是无法避免的。现在国家提出2030年碳达峰和2060年

碳中和计划[1]，最终的任务是要做到零碳排放，这就说

明取消燃煤供暖是早晚的事。这样，热泵供暖或太阳能等可再生能源直接供暖就提到日程了。

在我国《可再生能源法》[2]中规定：可再生能源，

是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能

等非化石能源。在第四章“推广与应用”中指出，“国

家鼓励和支持可再生能源并网发电”，也规定：“国家

鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供

热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用

系统”。这说明，我国对可再生能源的利用，有两种主要方式，一是发电，二是热利用。热泵的开发利用是可

再生能源开采和利用的重要环节。它可以消耗一份电能

或机械能，进而可以开采和得到数倍的可再生能源，是重要的节能技术和环保技术。

最近，清华大学江亿[3]院士在学术报告《中国的

能源转型和碳中和路径》中强教师师德修养 调，我国先实现电力生产

的碳中和，以光电、风电、水电等，加上工业余热、太

阳光热等，驱动工业、交通、农业、建筑用能。然后实

现碳中和。显而易见，热泵则是在今后建筑物供暖实现碳中和的利器。

2.热泵供暖

近年来，由于清洁供暖“无煤化”的要求,推动了

空气源热泵的快速发展。过去主要由于受压缩机等主要

部件性能所限，热泵主要用于长江以北的冬天供暖，现

在通过不断的研究和实验验证，发明设计了一种以电

动机驱动的蒸气压缩制冷（热泵）循环，以空气为热(

冷)源的集中空调或工艺用热(冷)水，并能在不低于-25℃的环境温度空气里抽取热量的整体或分体设备。

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其中制冷量在35kW以上称为商用机组,，35kW以下

称为户用机组[4]。从分类上,有普通空气源冷水（热

泵）机组和低环境温度空气源冷水(热泵)机组两大类，

主要区别是热泵工况下的工作条件是否在较低的温度。

它们有各自的产品标准和能效等级标准。自从2010年

低环境温度空气源热泵（冷水）机组的产品标准首次颁

布，给国内空气源热泵的设计发展统一了标准。但随着

社会科技的不断发展，有不同的出水温度的要求，2010

的版本已经跟不上时代的潮流。因此，全国冷冻空调设

备标准化技术委员会对GB/T人教版七年级下册语文 25127.1—2010[5]和GB/

T25127.2—2010[6]这2个标准展茅国 开了修订工作，提出

了GB/T25127.1—2020[7]和GB/T25127.2—2020[8]两

个新版标准。目前因为是新教版本的交接，而空气源热

泵的新技术，如“喷气增焓”、直流变频、换热的强化

和智能控制大体上到了完善度和经济性的平衡点，所有

技术并不会很快过时。，

2.1热泵节能的基本公式

热泵的原理图见图1。采用某种制冷剂的蒸气通过

压缩机压缩提升了压力和温度，高温高压的制冷剂蒸气

在冷凝器中冷凝成液体，把释放出来的热量传递给冷凝

器外侧的水或者空气。液态制冷剂经过节流阀降压有少

量气化，大多变成低压液体，进入蒸发器吸热气化。蒸

发器所吸收的热量主要来自外界温度较低的空气或水源。产生的低温低压蒸气进入压缩机完成一个热泵循环。

式中的pow是电厂发电效率，目前可设为

在通常的气候条件下，COP≥3。

（1）

这通常是指在稳定工况下，测量一段时间的热量和

耗电量进行计算得出COP。COP越大，表示热泵越节能。

为表明在一个采暖季节的性能，有季节供热系数：

（2）

热泵可以夏季制冷，冬天制热，全年的的综合系数：

（3）

热泵的一次能源利用率：

（4）

38.7%，net是电网输电效率,与输送距离和输电电压

有关，长距离输电可设为90%，两者乘积称为发电输电

综合效率，为34.83%或近取35%。

还有其它的评价方式，比如IPLV(H)指冬季供暖的

综合性能系数，它是根据不同的气候条件，给出不同环

境温度下所占有的小时数，再将测量的COP加权平均得出。

2.2锅炉的一次能源利用率

图1热泵的原理构图

Fig.1Schematicdiagramoftheheatpump

考虑锅炉房的效率，一般计算锅炉房的效率比较直

观，就是锅炉供出的有效热量与煤的发热量的比值，如公式（5）：

（5）

有关热泵的用能效率和节能率，有如下公式。热泵的制热系数：

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式中的Qout是锅炉送出的热量，由锅炉房出水、

进水的温度差乘以流量和比热得出，Qcom是进入锅炉的煤的燃烧热量。

然而进入锅炉的煤是从遥远的煤矿运输来的，一路

上经过装载、电气化铁路、中转、存储、堆放、短途运

输、

缷

车等过程。在这个过程中大量的工作是由机械完

成，而驱动机械的电力，在我国基本还是由煤发电得到。

这样煤炭从矿井到锅炉房的运输本质上可以说也是消耗的煤。

如果假设煤矿到锅炉房的距离是1000公里，输运

1吨煤需要消耗多少煤呢？当然理论上可以测量出来，

但需要在装载、运输、卸车、中转等环节都测量。如果

简化一些，通过大量调查可设煤的价格500元/吨，井

口煤价是250元/吨，中转及运输费用250元/吨。再

设运费的四分之一为燃料费用，即62.5元，相当四分之

一的煤炭在运输过程中被烧掉了。说明煤炭的运输和中

转的能源效率是75%。在此情况下，公式（6）才是锅炉房的真正用能效率。

（6）

这样，再考虑锅炉的效率为70%，远距离运煤的锅

炉的一次用能效率只是52.5%。2.3热泵供暖的计算值

考虑普通居民的房间面积，在40℃的冷凝温度下，

蒸发温度从－15℃到0℃，热泵消耗的功率为2kW左右，

应该有数千瓦的制热量。本着这个原则，选用全封闭直

流变频转子式压缩机，R410A为参考工质，室外是铜管

翅片式换热器，风机可调速，室内是盘管水箱式换热器，

终端是地板采暖。考虑压缩机的效率等因素，做了理论计算。

首先是对工质的选择。本来R22是各种民用和商用

热泵的主要工质，根据蒙特利尔议定书[9]的要求，从

2013年开始，R22正式冻结并逐年消减。未来生产的

空气源热泵，不能用R22，目前可采用的工质有R410A

和R134a，从长远看，可能的替代物是CO2（R744）、

R32和R290。所有计算都用这5种工质。

目前R32和R290两种替代物的相关研究工作都围棋人机大战

在进行。R32属于微燃特性的物质，但是仍然有675

的GWP值，目前用量很小，将来可能变成受控物质。

R290是强可燃性的物质。如果采用空气－空气系统，

室内换热器位于人们居住和生活区域，万一发生工质泄

漏，在防火安全方面存在隐患。如果采用空气－水系统，

水冷换热器可适当隔离可燃工质因泄漏进入房间，这也是本文强调的空气－水系统的关键所在。

考虑地板散热热水温度为35℃，在40℃的冷凝温

度下，蒸发温度从－30℃到10℃，分别计算在相同压

缩机容量下的热泵系统的制热量、压缩功和制热系数

COP，分别列于图2至图4。应该说，在一定压缩机吸

气容积流量下，不同工质的制热（冷）量量、输入功率

有所不同，所有工质的COP大体相同。而且当蒸发温

度从-30℃变到10℃时，COP从1.5变到4.5左右。而

供热是大约3倍的变化。这说明热泵供暖与锅炉供暖有很大的不同。

图2制热量（Q）随蒸发温度（TE）的变化关系

Fig.2Therelationshipbetweentheheatingcapacity(Q)andthe

evaporationtemperature(TE)

图3压缩功（Wcom）随蒸发温度（TE）的变化关系

Fig.3Therelationshipbetweenthecompressionwork(Wcom)andthe

evaporationtemperature(TE)

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热泵供热需要烧煤

（10）

热泵的可再生能量

图4制热COP随蒸发温度（TE）的变化关系

Fig.4TherelationshipbetweenheatingCOPandevaporation

temperature(TE)

2.4热泵的可再生能源贡献率

根据热泵一次能源利用率公式（4）可得出，当

COP＝3.5时，PER＝122.5%，相比燃煤锅炉一次能

利用率是52.5%，可给出；

（7）

这个倍数表示热泵对节约一次能源的贡献，其贡献

在于用环境的可再生能源代替了化石能源。说明与普通

锅炉相比，热泵使燃煤的利用率提高一倍以上。如果考

虑目前我国大约有76%的电能来自化石燃料，24%的

电能来自水电、风电、核电和光电[10]，热泵对可再生能源的利用更高。

如何计算热泵的可再生能源的贡献，欧盟[11]是

（8）

式中的Qusable中热泵提供的热量，SPF是热泵

的季节性能系数，相当于中国COP（稳定工况）或HSPF。

我们可以用另一算法，即一次能源的节约就是可再

生能源，如下述公式[12]。

直接锅炉供热需要烧煤

（9）

图5空气－水式热泵（冬季工况）

Fig.5Air-waterheatpump(winterworkingcondition)

表1用欧盟公式和本文公式对比

Tab1ComparisonbetweentheEUformulaandtheformulainthis

article

（11）

计算结果见表1，说明两者差别不大。

3.低环境温度空气源热泵热水机

空气源热泵可以提供供暖用热水，它的原理如下图5

虽然现在有了低环境温度空气源热泵的标准GB/

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T25127-2020，但由于它刚刚颁布，还没有认真执行。

目前已有的低环境温度空气源热泵产品还遵照低环境

温度空气源热泵的标准GB/T25127-2010，其中热泵

在额定工况(环境温度干球温度为-春节假日 12℃，湿球温度为

-14℃，出水温度41℃)下COP不低于2.1(户用)或

2.3(商用)。有关制热IPLV(H)的测试条件见表2。

按表2测试综合部分负荷性能值IPLV(H)，北京地

区IPLV(H)不低于2.4(户用)或2.5(商用)。

制热综合部分负荷性能系数：

表3各大城市制热综合部分性能的系数（%）(GB/T25127.1.2—2010)Tab.3Coefficientsoftheoverallheatingperformanceofmajorcities

(%)(GB/T25127.1.2—2010)

（12）

表4低温热泵机组能效等级指标（GB37480—2019）

Table4Energyefficiencyratingindexoflowtemperatureheatpump

unit(GB37480—2019)

注：a)主要适用于低温辐射采暖末端，如地板采暖等。

b)主要适用于强制对流采暖末端，如风机盘管，强制对流低温散热器等。

表2户用/商用机组部分负荷工况（GB/T25127.1.2-2010）Tab2Partialloadconditionsofhouhold/commercialunits(GB/T

25127.1.2-2010)

c)主要适用于自然对流和辐射结合的采暖末端，如风机盘管、低温散热器等。

应该说，表4与表2即读书笔记表格 2010年版的低环境温度空

气源热泵产品标准有一致性，但在热泵出口水温分组方面有了多样性。

通过以上说明，空气源热泵不同于燃煤锅炉或电锅

炉，它的输出容量和节约能量的性能系数，与温度关系

非常大。虽然各地都会有若干小时的寒流或极端天气，

但低温的时间不长，加强房屋的保温措施，房间的室温变化很小。

注：在所有工况下，机组换热器水侧污垢系数为

0.018m2℃/kW；新机组换热器水侧应被认为是清洁

的，测试时污垢系数应被考虑为0m2℃/kW，性能

测试时应按GB/T18430.1-2007的附录C进行温差修正。

表3给出北方各大城市制热综合部分性能的系数（%）。

表4是《低环境温度空气源热泵（冷水）机组能效

限定值及能效等级》(GB37480—2019)的低温热泵机组能效等级指标。

4.河北省赵县空气源热泵供暖的工程案例

近几年有关空气源热泵的应用越来越普遍工程案例

数不胜数。本文重点介绍河北省赵县空气源热泵供暖工程案例。

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热泵供暖的特点及空气源热泵供暖的工程案例

2020年8月2日，由河北省清洁能源供暖行业协

会主办，中机国能热源供暖有限公司、广东纽恩泰新能

源科技发展有限公司（以下简称纽恩泰）等协办的“河

北省赵县主城区空气源热泵分布式集中供暖项目”评议

会[13]。在河北省赵县召开，在会上项目组介绍了项目

的背景、技术指标、运行状况、经济和社会效益等内容。

与会专家结合现场实地考察，通过质询研讨，专家认为：

该项目是目前空气源热泵国内供热面积最大的示范项目，综合指标达到国内及国际领先水平。

项目概况：在当地政府支持下，赵县主城区建立了

44个分布式热泵能源站，每个能源站有几十台到上百台

热泵，总共1200台空气源热泵机组，为388万平米居

民楼冬季供暖。设备架在高空使上下气流通畅。设计供

水温度55℃，回水45℃。

热泵供暖主机是广东纽恩泰生产，压缩机是谷轮

EVI（喷气增焓）涡旋式压缩机，工质采用R410A工质。

在环境温度0～-6℃时，供回水温度为10℃并由两台

机组串联升温，每台机组升5℃，当工作在0～7℃时，

由一台机组供5℃升温，另一台停机。2019～2020年

供暖季期间，设备运行稳定、供热效果较好，85%的

热用户对空气源热泵集中供热效果表示满意。单个采暖

季耗电量30.88kWh/m2，运行费用13.38元/m2。每

个供暖季可节约标准煤1.8万吨，减少二氧化碳排放约

4.7万吨。

纽恩泰空气源热泵热水机，可达到2级能效。再加

上居民楼都是比较节能的建筑，当地冬季空气设计温度

为（石家庄-12℃小时数仅占采暖季2.1%）。

因为低环境温度空气源热泵采用基本同一类的的

“喷气增焓”压缩机，以下图6和图7的样本数据具有

代表性。图7若以赵县（石家庄）冬季室外温度小时数

和对应空气源热泵COP。如果按55℃出水温度，可见

冬季大多在-5℃～10℃，COP在2.5～3.0。控制好的话，

在比较温暖的室外环境时，可适当降低出水温度，室内

温度不变，COP可达3.5～4.0。

项目投资成本86.6元/m2。也就是说，按每户

100m2，热泵加电路改造、供暖管网改造平均每户

8660元，而电网由电力部门投入，热网由供热部门投入。

图8现场之一，高架的热泵机组下面可建机房

Fig.8Oneofthescenes,acomputerroomcanbebuiltunderthe

elevatedheatpumpunit

图7不同出水温度下空气源热泵的COP

Fig.7COPofairsourceheatpumpatdifferentoutletwater

temperatures

图6空气源热泵的热量输出

Fig.6Heatoutputofairsourceheatpump

真正热泵投入除以407万m2，每户5320元，每

平米采暖电费13.38元。

以下是现场照片。

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热泵供暖的特点及空气源热泵供暖的工程案例

热量和COP，都和环境温度有很大关系，环境温度越低，

供热量变小。COP也会变低。但是我国大部分地区温度

较低的时间较短，通常按环境温度-12℃选取热泵的容

量，大部分时间工作在-5℃～10℃下，供热量和COP都有较大的提高。

本文给出了河北省赵县空气源热泵供暖工程案例。

从目前的技术水平来看，热泵可以完全取代燃煤或燃气

的锅炉房，这充分的说明了热泵系统在碳中和过程中的

重要作用。因此空气源热泵可以在我国大部分地区安装，但它的供暖与环境温度关系较大，只有了解明白这些原

图9现场之二，高架的热泵机组Fig.9Scenetwo,elevatedheatpumpunit

理，才是我们应用好热泵技术的关键。才能更好地实现碳中和碳达峰任务。

显而易见，热泵则是在今后建筑物供暖实现碳中和的利器。

不久的未来要执行《蒙特利尔议定书基加利修正

案》，R410A和R134a等高GWP制冷剂不得再生产并

逐年淘汰。热泵技术似乎要遇到天花板。如果大力开发

以CO2（R744）、R32和R290等低GWP制冷剂，这

个限制将不会发生。虽然有压缩机等技术难度，紧跟碳中和的大方向，相信一切困难会迎刃而解。

图10近距离热泵机组

Fig.10Clo-rangeheatpumpunit

5.结论及展望

本文主要通过介绍有关热泵技术的热力学原理，并

且进一步说明热泵技术的优点，可以用少量的电能，提

供更多热能，通过热泵制热系数COP、季节供热系数

HSPF、全年综合系数APF、一次能源利用率PRE以及

冬季供暖综合性能系数IPLV(H)等多种评价指标对热泵

系统进行分析评价。说明了热泵它将会在今后替听英语怎么说 代大规

模的城市热网，形成分布式能源系统，提高能源的利用

效率，实现国家既定的碳中和碳达峰任务。另外通过对

工质R410A、R134a、CO2（R744）、R32和R290

进行计算比较得到。在一定压缩机吸气容积流量下，不

同工质的制热（冷）量、输入功率有所不同，但是五种

工质的COP大体相同。

理论分析和实际产品的性能说明，空气源热泵的供

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